虚拟电厂背景下的空调负荷调控策略

2022-01-12刘永春朱程燕

光源与照明 2021年6期

刘永春，朱程燕

国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 210000

0 引言

近年来，我国夏季电网负荷水平不断提高，给电网的安全稳定运行带来了巨大影响。智能电网作为一种新型的智能服务网络，其通信能力显著提高，已成为21世纪电力系统变革的趋势。在这种背景下，虚拟电厂集成了多种分布式能源，具有丰富的控制手段，可提高可再生能源发电效率，将成为未来电力系统的重要结构。在虚拟电厂的运行过程中，集群可控负荷控制策略是一个重要的研究方向。用户负荷调节行为更加收敛，调节控制易于集中[1]。因此，基于虚拟电厂技术，将能源管理装置用于空调管理，可以实现有效的负荷调节，减少日用电量的峰谷差，提高供电的稳定水平。

在负荷控制业务方面，随着产业结构的调整，人民生活水平的提高，电网峰谷负荷差异较大，夏季季节性短期高峰负荷矛盾突出，电网负荷运行压力大。为了平衡短期高峰负荷，需要支持大量的调节资源，导致电网投资和运行效率的利用和发挥不足，电网高峰负荷投资的经济效益较低。因此，单纯依靠传统调节资源对电网进行调节越来越困难，传统调节资源的调度空间也越来越小。目前，政府深化需求响应政策，迫切要求负荷方参与调解，从带负荷的源端移动到源网，负荷互动有助于促进能源网的协调，优化发电和电网投资，提供清洁能源，实现政府、用户和社会的双赢[2]。

虚拟电厂是分布式电源、负载和储能设备的集合，可以作为一个特殊的电厂运行，是解决分布式电网接入问题的一种新技术，其可以与传统电厂一样进行控制和管理，向电网提交发电计划，参与电力市场、调峰、调频等辅助服务。虚拟电厂不改变分布式发电的并网方式，而是通过先进的控制、通信和测量技术，在更高层次的软件架构上实现多台分布式发电的协调优化运行。虚拟电厂展示了整个功能和效果，能够在不改变电网的情况下稳定地传输电力，并提供快速响应的辅助服务，是一种安全有效的分布式电源接入电网的方法[3]。

1 负荷侧虚拟电厂业务架构

负荷侧虚拟电厂业务运行机制如图1所示。

图1 负荷侧虚拟电厂业务运行机制

（1）注册管理：虚拟电厂通过聚合中小用户可调资源，可以参与辅助服务市场交易，虚拟电厂向营销需求侧响应平台和交易平台进行注册。

（2）用户管理：虚拟电厂与中小用户签订代理合同，负责中小用户及其所属可调资源的管理。

（3）交易管理：虚拟电厂经营销需求侧响应平台向交易中心进行交易申报，接收交易中心发布的交易出清结果，并完成交易合同的签订。

（4）调控执行管理：虚拟电厂通过构建虚拟发电机组，实现虚拟发电控制，完成负荷调控目标。

（5）结算管理：根据交易合同及负荷调控认定结果，虚拟电厂进行市场结算以及内部结算分配。

2 供需互动战略

用户参与需求侧响应的过程可分为早期预算决策、合同签订。其中，用户参与需求侧响应项目的具体决策过程如图2所示。

图2 负荷侧虚拟电厂系统功能架构

具体互动战略步骤如下：测量和计算由能源管理设备控制的所有空调的可调容量；用户批准能源管理设备向电网控制中心报告其可调容量；控制中心综合分析与用户相同的能源管理设备的所有设施；根据报告的容量划分合同用户，并匹配切割负荷；每个能量管理装置根据分配给它的减负荷指令制定内部规定，并控制对所有空调的指令。

（1）能源管理设备持续监测空调系统运行状态及负荷数据，实时测算负荷可调能力并上报远程平台。

（2）在电网启动调控命令时，平台根据上报的负荷可调能力，智能分配负荷调控指标，通过能源管理设备下发调控指令，同时短信通知电力用户。

（3）能源管理设备依据空调系统运行状态以及负荷数据，根据智能算法对空调机组的若干运行参数进行调节，并依据监测数据修正调节参数，使空调系统部分关闭或进入一个稳定的较低能耗运行状态，满足电网调控要求的同时保持一定的制冷效果。

气温的变化主要影响人体的舒适性，温度预测模型主要是对房间温度的预测，确保房间在最大可调容量下的基本舒适度和温度条件。文章基于收集的历史温度数据，根据极限学习机对家庭能源管理设备进行温度预测。这种学习机是一种基于FNN的机器学习系统，被广泛应用于环问题和数据预测。温度预测的主要步骤如下：首先，将一天分为5个时段，即0：00～6：00、6：00～1：00、11：00～14：00、14：00～18：30、18：30和24：00；其次，能源管理设备的历史温度数据每隔一个数据点从历史数据库中收集一次；最后，从每个周期中获取温升过程中的温度变化数据。温升循环中的指示此时间段内的温度处于停机或备用模式，如果某一时刻的温度数发生变化，其温度数据会在5 min后发生相应变化，即数据范围内的第m个温度数据与m+60的温度数据形成一个数据对。

3 调控执行

中央空调虚拟机组组网架构如图3所示。

图3 中央空调虚拟机组组网架构图

根据市场交易要求，虚拟电厂需要构建虚拟发电机组，通过调控中小用户可调资源实现虚拟发电控制，从而能以虚拟电厂身份参与辅助服务市场交易。调控执行管理主要包括数据管理、综合监视、虚拟发电控制、调控效果评估等功能。

（1）数据管理。数据管理主要包括数据建模、采集服务等子功能。数据建模指对终端设备—虚拟机组—虚拟电厂进行分层典型建模，有助于实现虚拟电厂整体运行特性及终端设备单体运行状态的监测管理。采集服务主要指对终端设备的海量实时和非实时数据进行采集、转换、监视、采样、清洗、分析等工作。

（2）综合监视。综合监视主要包括运行监视、电网直控负荷监视、异常告警等子功能。运行监视可以实现从虚拟电厂整体及各区域数据到虚拟机组，再到终端设备的层次化运行状态在线监视。可通过地理图、电气主接线图、专用图元、曲线图、棒图、饼图、列表等多种方式展现，提供一体化的图形操作，各种信息参数的查看和管理。电网直控负荷监视主要针对处于电网直接控制的终端，单独进行运行状态在线监视，提供直控次数、直控电量等相关数据的统计和查询，在虚拟发电控制中剔除相关电网直控负荷，不再进行虚拟电厂调控。异常告警主要指监视虚拟电厂内部终端设备运行情况，基于设备运行参数及实时数据，对设备运行异常状态进行实时告警；同时对虚拟电厂管辖范围内的虚拟机组运行状况进行实时监视，对机组整体运行异常状况进行告警，如控制器通信状态等。

（3）虚拟发电控制。虚拟发电控制主要包括负荷预测、控制预案管理、发电执行分解等子功能。负荷预测指结合历史数据、气象数据（天气、气温等）、用户用电计划等因素，预测可调资源运行状态和用电负荷；基于可调资源运行状态、负荷调控方法及用户舒适度需求，分析可调资源可调潜力。基于终端设备—虚拟机组—虚拟电厂分层聚合模型，进行虚拟机组和虚拟电厂发电潜力预测。控制预案管理指在进行实际负荷调控前，基于交易出清结果，根据实际调控目标，基于调控策略进行事前模拟控制，生成控制预案。发电执行分解指在进行实际负荷调控时，虚拟电厂基于控制预案，将调控目标逐层分解至各虚拟机组、各终端设备，并下达发电控制指令，根据偏差情况对控制预案进行滚动优化。

（4）调控效果评估。基于终端计量数据，对虚拟电厂自身调控效果从调节速率、调节精度等多个指标进行评估，评估结果可用于指导虚拟电厂下次负荷调控策略选择。将负荷曲线、参与调控用户等调控结果数据上报营销侧需求响应平台，并将自身调控评估结果与营销侧需求响应平台所认定的调控评估结果做对比确认，如无误则确认同意，否则发起争议，营销侧需求响应平台需重新进行调控结果认定。

4 空调负荷调控策略及调控效果

4.1 中央空调控制策略

中央空调机组工作原理图如图4所示。

图4 中央空调机组工作原理图

中央空调机组主要由制冷剂循环系统、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和冷却塔组成。空调柔性控制的调节方式即通过改变空调设备运行参数、运行模式等调整负荷出力，达到部分削减负荷的目的。方式一：通过改变空调系统运行参数，如调节冷冻水温度、阀门开度限制等。方式二：改变空调系统运行模式，如进行全局温度控制、冰蓄冷等。

4.2 VRV/VRF空调系统

多联机又被称为变冷媒流量多联式空调系统，由一台室外机连接数台不同或相同型式、容量的直接蒸发式室内机，构成一套单一制冷/热循环空调系统，简称为VRV或VRF。方式一：通过改变空调内机运行参数，如调节空调内机设定温度、出风速度、运行模式等，保证空调机组不停机情况下降低空调机组的运行负荷。方式二：改变空调内机运行状态，如启停操作，使室内机分组轮控。

4.3 调控效果

虚拟电厂平台响应需求响应命令中央空调虚拟电厂机组的实时调控负荷曲线如图5所示。虚拟电厂平台接收需求响应平台调控指令，指令分解后下发到虚拟电厂控制器，虚拟电厂控制器依据本地调控策略对中央空调进行调控。调控指令下发前空调实时负荷约为100 kW，可调容量约为40 kW；指令下发后，实时负荷由100 kW调控至45 kW左右，持续时间达30 min，满足大电网削峰需求。